TWI566981B - 電動自行車之感測裝置及動力模組 - Google Patents

Description

電動自行車之感測裝置及動力模組

本揭露係有關一種感測裝置及動力模組，尤指一種電動自行車之感測裝置及動力模組。

隨著二氧化碳的大量排放造成地球的溫室效應日益嚴重，各國政府為了抑制二氧化碳排放，極力推行以電動之交通工具代替現行的汽油或柴油之交通工具，以減緩溫室效應對氣候所帶來的影響。

目前電動交通工具之產業中，以設置於五通部位的中置動力系統之自行車為主流，其在騎乘性以及可靠性上具有很大的優勢。在具有中置動力系統之自行車中，係透過扭矩感測器感測自行車之中軸的形變，以作為馬達要輸出多少的力量的依據，若該中軸的形變越大，則馬達輸出的力量也越大，反之該中軸的形變越小，則馬達輸出的力量也越小。另一種判斷馬達輸出力量的方式，係透過踏頻感測器感測自行車之踏板頻率，以決定馬達輸出力量的大小。

然而，上述兩種感測的方式各有缺點存在，例如，騎乘具有扭矩感測器之自行車時，若使用者將腳置放於踏上 休息，則中軸產生的形變使得馬達持續輸出力量，而造成電池的耗損，又或者騎乘具有踏頻感測器之自行車時，若使用者遇到上坡路段時，因腳踏頻率降低，而造成馬達輸出力量減少，使得使用者必須耗費更多的體力通過上坡路段。

再者，上述兩種感測器設於自行車中的位置並不相同，因踏頻感測器多採用磁場感應或渦電流感應，故踏頻感測器之設置位置必須遠離馬達以防磁場干擾，而扭矩感測器必須設於中軸以感測形變，若將兩種感測器整合於自行車上時會導致自行車體積過大的問題，而不利於騎乘。

因此，如何克服習知技術之種種問題，將兩種感測器整合於自行車上，並且避免自行車體積過大之問題，實為本領域技術人員亟欲解決的重要課題之一。

本揭露係提供一種用於電動自行車之感測裝置，該電動自行車包括一中軸，該感測裝置包括：扭矩感測器，係設於該中軸上以感測該中軸而獲得扭矩信號；滑環，係串設於該中軸上且與該中軸共同旋轉，其中，該滑環電性連接該扭矩感測器以傳輸該扭矩信號；光柵，係串設於該中軸上且設於該滑環中並與該滑環共同旋轉；以及踏頻感測器，係與該光柵面對設置以感測該光柵的旋轉而獲得踏頻信號。

本揭露另提供一種用於電動自行車之動力模組，該電動自行車包括一中軸，該動力模組係包括：減速機，係串 設於該中軸上；馬達，係串設於該中軸上並傳送動力至該減速機；以及感測裝置，包括：扭矩感測器，係設於該中軸上以感測該中軸而獲得扭矩信號；滑環，係串設於該中軸上且與該中軸共同旋轉，其中，該滑環電性連接該扭矩感測器以傳輸該扭矩信號；以及光柵，係串設於該中軸上且設於該滑環中並與該滑環共同旋轉；以及踏頻感測器，係與該光柵面對設置以感測該光柵的旋轉而獲得踏頻信號，其中，該馬達與該減速機係根據該踏頻信號及該扭矩信號而運作。

本揭露藉由滑環與光柵的結合，如此可將踏頻感測器及扭矩感測器整合於同一感測裝置中，以縮小感測裝置之體積，避免感測裝置裝設於電動自行車上而造成體積過大與磁場干擾之問題，並同時提升電動自行車產品之競爭力。

1‧‧‧動力模組

2‧‧‧電動自行車

5a‧‧‧左曲柄

5b‧‧‧右曲柄

10‧‧‧滑環

11‧‧‧光柵

111‧‧‧肋狀結構

112‧‧‧肋狀結構

111’‧‧‧圖案部

112’‧‧‧圖案部

113‧‧‧間隔部

12‧‧‧貫穿孔

13‧‧‧電刷

14‧‧‧電極

20‧‧‧固定板

21‧‧‧踏頻感測器

22‧‧‧孔洞

30‧‧‧中軸

31‧‧‧扭矩感測器

40‧‧‧馬達

50‧‧‧減速機

60‧‧‧外殼

61‧‧‧外蓋

70‧‧‧鏈盤

第1圖係為本揭露之電動自行車之感測裝置之分解示意圖；第2圖係為本揭露之電動自行車之感測裝置之側剖面圖；第3A圖係為本揭露之感測裝置之光柵之示意圖；第3B圖係為本揭露之感測裝置之另一種光柵之示意圖；第4圖係為本揭露之電動自行車之動力模組之分解示意圖；第5A圖係為本揭露之電動自行車之動力模組之組合 圖；以及第5B圖係為本揭露之具有動力模組之電動自行車之示意圖。

以下藉由特定的具體實施例說明本揭露之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他優點及功效。

須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本揭露可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本揭露所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本揭露所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如“上”、“中”及“面對”等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本揭露可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本揭露可實施之範疇。

請參閱第1圖，係說明本揭露之感測裝置之分解示意圖。

如第1圖所示，該感測裝置由左至右之各部件名稱係為：左曲柄5a、滑環10、光柵11、電刷13、固定板20、踏頻感測器21、中軸30、扭矩感測器31及右曲柄5b。

該左曲柄5a及右曲柄5b設於中軸30之左右兩端，當 施加力量於左曲柄5a及右曲柄5b上時，該力量透過左曲柄5a及右曲柄5b傳遞至中軸30，以使中軸30產生形變。

該扭矩感測器31貼附於中軸30上，例如電阻應變片，其可因中軸30形變而有電阻值變化，藉此獲得扭矩信號，且該扭矩感測器31與滑環10電性連接。

該滑環10係串設於中軸30上且與中軸30共同旋轉。滑環10可將一電源(可能來自於動力模組的馬達，顯示於第4圖)傳輸至扭矩感測器31，並將扭矩感測器31所感測到的扭矩信號透過電刷13傳遞至控制器(未示於圖中)中。

該光柵11係具有貫穿孔12並透過貫穿孔12串設於中軸30上，該光柵11並固定設於滑環10中以與滑環10共同旋轉。詳細而言，滑環10具有相對之二端，而光柵11可設於該相對之二端之其中一端上，如第1圖所示，光柵11可設於面對該右曲柄5b之一端上。於一實施例中，光柵11亦可設於面對該左曲柄5a之一端上。於另一實施例中，光柵11可由塑膠等類似材質所製成。光柵11之詳細結構將詳述於後。

固定板20上設置有踏頻感測器21及孔洞22，該踏頻感測器21與光柵11係面對設置以感測光柵11的旋轉而獲得踏頻信號，該孔洞22係用以透過螺絲將該固定板20設於馬達40(如第4圖所示)之定子上，其中，該固定板20不與滑環10、光柵11及中軸30共同旋轉。於一實施例中，當光柵11設於滑環10上並面對於右曲柄5b時，則固定板20及踏頻感測器21可設於滑環10與右曲柄5b之間，以 使踏頻感測器21與光柵11面對設置。於另一實施例中，當光柵11設於滑環10上並面對於左曲柄5a時，則固定板20及踏頻感測器21可設於滑環10與左曲柄5a之間，以使踏頻感測器21與光柵11面對設置。該踏頻感測器21可為雷射感測器、紅外線感測器、感光元件或聲波感測器等，但不以此為限，只要能感測光柵11變化之感測器皆可。

該中軸30係供滑環10、光柵11及固定板20串設於其上，並使左曲柄5a及右曲柄5b固定於中軸30之左右兩端，其中，滑環10及光柵11係隨著中軸30共同旋轉，而固定板20不隨中軸30旋轉，且其中，扭矩感測器31係電性連接滑環10之電極14(如第2圖所示)，以將扭矩感測器31所感測到中軸30的扭矩信號透過電極14及電刷13傳遞至控制器中。

請參閱第2圖，係說明本揭露之感測裝置之側剖面圖。

如第2圖所示，該滑環10、光柵11及固定板20串設於中軸30上，且該滑環10及光柵11係隨著中軸30共同旋轉，而固定板20不隨中軸30旋轉。當施加力量於該中軸30上而使其產生形變時，該扭矩感測器31係將感測到中軸30的扭矩信號透過電極14及電刷13傳遞至控制器(未示於圖中)中。

此外，該踏頻感測器21與光柵11係面對設置，當該中軸30帶動滑環10旋轉時，該踏頻感測器21可感測旋轉的光柵11而獲得踏頻信號，並將該踏頻信號傳遞至控制器中。例如，踏頻感測器21可具有發射單元及接收單元(皆 未顯示於圖中)，藉由該發射單元將光或紅外線等其他範圍之電磁波發射至光柵11，光柵11上的肋狀結構能使由光柵11反射回來的電磁波呈現脈衝序列，即可知光柵11(或滑環10)的旋轉速率，則踏頻感測器21藉此獲得踏頻信號。

請參閱第3A至3B圖，第3A圖係說明本揭露之感測裝置之光柵之示意圖，第3B圖係說明本揭露之感測裝置之另一種光柵之示意圖。

如第3A圖所示，該滑環10中設有光柵11，且該光柵11具有自貫穿孔12沿徑向延伸之複數個肋狀結構及間隔部，例如，肋狀結構111、肋狀結構112及間隔部113等。於一實施例中，間隔部113形成凹入於光柵11的表面之一凹槽，則鄰近的凹槽彼此的間距可定義肋狀結構111及肋狀結構112之寬度。於另一實施例中，肋狀結構111及肋狀結構112凹入於光柵11之表面，使得間隔部113形成一凸塊，鄰近的凸塊彼此的間距可定義肋狀結構111及肋狀結構112之寬度。又於一實施例中，肋狀結構111及肋狀結構112可凸出於光柵11的表面。需說明的是，光柵11之複數個肋狀結構可皆具有相同尺寸(長、寬和高)，或者如第3A和3B圖所示，至少其中一肋狀結構111的寬度不同於其他肋狀結構112，以作為感測的起點。

如第3B圖所示，滑環10與第3A圖中之滑環10的結構大致相同，差別在於光柵11的形式不同。詳細而言，光柵11可具有自貫穿孔12沿徑向延伸之複數個圖案部及間隔部，例如，圖案部111’、圖案部112’及間隔部113等， 其中，圖案部111’及圖案部112’與間隔部113之顏色係為不同(以斜線做為顏色區隔)，以使踏頻感測器21可透過影像辨識的方式取得滑環10之踏頻信號。於一實施例中，圖案部111’及圖案部112’上可貼附有反光材質，以使圖案部111’及圖案部112’與間隔部113具有亮暗分明之特性，因而踏頻感測器21藉由接收來自光柵11的影像或反射光之而獲得踏頻信號。於一實施例中，該複數個圖案部中之至少一者的寬度係不同於該複數個圖案部中之其他者，或者該複數個圖案部皆具有相同尺寸(長、寬和高)。

當與該光柵11面對設置之踏頻感測器21感測旋轉的光柵11時，藉由肋狀結構111與間隔部113之高度差異，或藉由圖案部111’與間隔部113之顏色差異，使得踏頻感測器21可獲得光柵11的旋轉速率，亦即可知左或右曲柄5a或5b之踩踏頻率。

再者，肋狀結構111及圖案部111’之寬度係不同於其他複數個肋狀結構112及圖案部112’之寬度，使得踏頻感測器21在感測光柵11時，可透過該寬度差異得知滑環10旋轉的角度，以進一步地提高控制精準度。

請參閱第4圖，係說明本揭露之電動自行車之動力模組之分解圖。

如第4圖所示，該動力模組1由左至右之各部件名稱係為：左曲柄5a、外蓋61、滑環10、固定板20、馬達40、中軸30、減速機50、外殼60、鏈盤70及右曲柄5b。

於第4圖中之左曲柄5a、滑環10、固定板20、中軸 30及右曲柄5b與第1圖中所述相對應之部件係為相同，故不再贅述。

該馬達40串設於中軸30上，其中，該馬達40之轉子與中軸30共軸而定子不隨中軸30旋轉。該減速機50係串設於中軸30，且該馬達40耦接減速機50以提供動力，而該減速機50可降低馬達40之轉速與增大馬達40之轉矩。於一實施例中，馬達40可為同步馬達、感應馬達、可逆馬達、步進馬達、伺服馬達或線性馬達等。於另一實施例中，該減速機50可為齒輪減速器、蝸杆減速器、行星齒輪減速器、擺線針輪減速器或諧波齒輪減速器等。

該外殼60及外蓋61係用以包覆滑環10、固定板20、馬達40、中軸30及減速機50，以保護各該部件。於一實施例中，外殼60及外蓋61例如以塑膠材質所製成。

需說明的是，該固定板20可透過螺絲穿過孔洞22(如第2圖所示)固定於馬達40上，亦可額外設置於馬達40外側或外蓋61內側之電路板以與光柵11面對設置，或者，固定板20即為馬達40中的一電路板，亦即踏頻感測器21設於馬達內部或外部之電路板，踏頻感測器21可透過該電路板接收電源並傳輸踏頻信號。

該鏈盤70之功能與傳統自行車之鏈盤的功能相同，係串設於中軸30上並與中軸30共同旋轉，且該鏈盤70與減速機50相連接，使得鏈盤70可將減速機50所提供之動力透過鍊條(未示於圖中)傳遞至電動自行車，例如電動自行車之後輪，或例如前輪。

於本實施例中，動力模組1之配置例如可為：左曲柄5a、滑環10、固定板20、馬達40、減速機50、鏈盤70及右曲柄5b。

於另一實施例中，動力模組1之配置例如可為：左曲柄5a、馬達40、減速機50、滑環10、固定板20、鏈盤70及右曲柄5b，其中，該動力模組1之配置亦可不包括減速機50。

請參閱第5A至5B圖，其中第5A圖係說明本揭露之電動自行車之動力模組之組合圖，第5B圖係說明本揭露之具有動力模組之電動自行車之示意圖。

如第5A至5B圖所示，本揭露之動力模組1可設置於電動自行車2之五通部位，即電動自行車的中軸處，並且動力模組1只占用電動自行車2小部份的體積，故電動自行車2的體積得以控制，以利於騎乘的舒適度。

綜上所述，本揭露藉由滑環與光柵的結合，如此可將踏頻感測器及扭矩感測器整合於同一感測裝置中，以縮小感測裝置之體積，避免感測裝置裝設於電動自行車上而造成體積過大與磁場干擾之問題，並同時提升電動自行車產品之競爭力。

上述實施例僅例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟習此項專業之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有此項專業知識者，在未脫離本揭露所揭示之精神與技術原理下所完成之一切等 效修飾或改變，仍應由後述之申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧滑環

11‧‧‧光柵

13‧‧‧電刷

14‧‧‧電極

20‧‧‧固定板

21‧‧‧踏頻感測器

30‧‧‧中軸

31‧‧‧扭矩感測器

Claims (14)

1. 一種用於電動自行車之感測裝置，該電動自行車包括一中軸，該感測裝置包括：扭矩感測器，係設於該中軸上以感測該中軸而獲得扭矩信號；滑環，係串設於該中軸上且與該中軸共同旋轉，其中，該滑環電性連接該扭矩感測器以傳輸該扭矩信號；光柵，係串設於該中軸上且設於該滑環中並與該滑環共同旋轉；以及踏頻感測器，係與該光柵面對設置以感測該光柵的旋轉而獲得踏頻信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中，該光柵包含貫穿該光柵且供該中軸貫穿並固定之一貫穿孔，以及自該貫穿孔沿徑向延伸之複數個肋狀結構。
3. 如申請專利範圍第2項所述之感測裝置，其中，該光柵還包含自該貫穿孔沿徑向延伸且自該光柵的表面凹入之複數個凹槽，該肋狀結構的寬度係由鄰近的該凹槽之間距所定義。
4. 如申請專利範圍第2項所述之感測裝置，其中，該肋狀結構係凸出或凹入於該光柵的表面。
5. 如申請專利範圍第2項所述之感測裝置，其中，該肋狀結構係為形成於該光柵的表面上的圖案部。
6. 如申請專利範圍第2項所述之感測裝置，其中，該複 數個肋狀結構中之至少一者的寬度係不同於該複數個肋狀結構中之其他者。
7. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中，該踏頻感測器設置於該電動自行車之馬達內部或外部之電路板，該電路板不隨該中軸旋轉，該踏頻感測器透過該電路板接收電源並傳輸該踏頻信號。
8. 一種用於電動自行車之動力模組，該電動自行車包括一中軸，該動力模組係包括：減速機，係串設於該中軸上；馬達，係串設於該中軸上並傳送動力至該減速機；以及感測裝置，包括：扭矩感測器，係設於該中軸上以感測該中軸而獲得扭矩信號；滑環，係串設於該中軸上且與該中軸共同旋轉，其中，該滑環電性連接該扭矩感測器以傳輸該扭矩信號；光柵，係串設於該中軸上且設於該滑環中並與該滑環共同旋轉；以及踏頻感測器，係與該光柵面對設置以感測該光柵的旋轉而獲得踏頻信號，其中該馬達與該減速機係根據該踏頻信號及該扭矩信號而運作。
9. 如申請專利範圍第8項所述之動力模組，其中，該光柵包含貫穿該光柵且供該中軸貫穿並固定之一貫穿 孔，以及自該貫穿孔沿徑向延伸之複數個肋狀結構。
10. 如申請專利範圍第9項所述之動力模組，其中，該光柵還包含自該貫穿孔沿徑向延伸之且自該光柵的表面凹入之複數個凹槽，該肋狀結構的寬度係由鄰近的該凹槽之間距所定義。
11. 如申請專利範圍第9項所述之動力模組，其中，該肋狀結構係凸出或凹入於該光柵的表面。
12. 如申請專利範圍第9項所述之動力模組，其中，該肋狀結構係為形成於該光柵的表面上的圖案部。
13. 如申請專利範圍第9項所述之動力模組，其中，該複數個肋狀結構中之至少一者的寬度係不同於該複數個肋狀結構中之其他者。
14. 如申請專利範圍第8項所述之動力模組，其中，該踏頻感測器安裝於一個不隨該中軸旋轉之電路板，該電路板設置於該馬達內部或外部，該踏頻感測器透過該電路板接收電源並傳輸該踏頻信號。